防火防爆理論及技術(shù)第3章

第三章著火理論主要內(nèi)容第一節(jié)謝苗列夫熱自燃理論第二節(jié)弗蘭克-卡門涅茨基熱自燃理論第三節(jié)連鎖自燃理論第四節(jié)強(qiáng)迫著火理論第一節(jié)謝苗列夫熱自燃理論基本思想著火是放熱因素和散熱因素相互作用的結(jié)果；放熱因素占優(yōu)勢(shì)，則著火，反之不能自燃。物理模型容器壁的溫度為T0，并保持不變；反應(yīng)系統(tǒng)的溫度和濃度都是均勻的；由反應(yīng)系統(tǒng)向器壁的傳熱系數(shù)為α，且不隨溫度而變化；反應(yīng)系統(tǒng)放出的熱量Q為常數(shù)（J/mol）。假定容器的容積為V，反應(yīng)速度為W，則單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)系統(tǒng)所放出的熱量為：在自發(fā)著火前，反應(yīng)速度為：放熱速度與溫度之間是指數(shù)函數(shù)關(guān)系。單位時(shí)間內(nèi)通過容器壁散發(fā)的熱量為：散熱速度與溫度之間是直線函數(shù)關(guān)系。著火判據(jù)溫度放熱及散熱速度故系統(tǒng)自燃的條件：不僅放熱和散熱的速率相等，而且兩者隨溫度變化的速度也相等。即：混合氣的著火溫度不是一個(gè)常數(shù)，它隨著混合氣的性質(zhì)、壓力（濃度）、容器壁的溫度、導(dǎo)熱系數(shù)和容器的尺寸變化而變化。當(dāng)體系不自燃時(shí)，欲使其達(dá)到臨界著火條件，可采用的方法：

提高器壁溫度；

減少對(duì)流換熱系數(shù)或減少表面積；

增大體系壓力或提高反應(yīng)物濃度；

降低活化能。第一節(jié)謝苗列夫熱自燃理論著火溫度與器壁溫度的關(guān)系由系統(tǒng)自燃的條件，將上面的q1和q2都代入下式有根據(jù)下面的條件，對(duì)上式求導(dǎo)得兩式相除：解，得取負(fù)號(hào)，并將根式按泰勒級(jí)數(shù)展開第一節(jié)謝苗列夫熱自燃理論著火時(shí)混合氣壓力與其他參數(shù)的關(guān)系將TB代入得由于則故設(shè)反應(yīng)物總摩爾濃度為C，則C=CA+CB，xA表示燃料的摩爾分?jǐn)?shù)，xB表示空氣的摩爾分?jǐn)?shù)，則同時(shí)，在著火條件下，由，有將CA、CB換成壓力與溫度的函數(shù)，則此即為著火條件下混合氣體壓力與溫度及其他參數(shù)關(guān)系。當(dāng)其他條件已知，如果混合氣體壓力小于pc值，則不能著火。如果大于該值則可以著火兩邊取對(duì)數(shù)，有：從上式可以看出，在一定的容器和混合氣成分條件下，只有初始溫度和臨界壓力兩個(gè)變量。上式還可以變成如下：則溫度T0混合氣體壓力pc爆炸區(qū)無爆炸區(qū)當(dāng)混合氣成分和容器形狀不變時(shí)，外界溫度越高，則著火所需的臨界壓力越小混合氣成分對(duì)著火有密切的關(guān)系；燃燒室的體積和容器散熱面積的比值對(duì)著火的臨界壓力也有影響。無爆炸區(qū)爆炸區(qū)燃料濃度無爆炸區(qū)爆炸區(qū)燃料濃度第二節(jié)弗—卡熱自燃理論背景謝理論假定的是反應(yīng)體系內(nèi)部溫度均勻當(dāng)Bi較大時(shí)（＞10），假設(shè)不成立弗—卡理論考慮溫度分布的不均勻性。第二節(jié)弗—卡熱自燃理論弗—卡理論物質(zhì)堆放→緩慢氧化→溫度升高→邊界散熱：如果體系不具備自燃環(huán)境：經(jīng)過一段時(shí)間，分布穩(wěn)定，此時(shí)生熱與散熱相等；如果具備自燃條件：過一段時(shí)間，系統(tǒng)著火。當(dāng)不具備自燃條件時(shí)，得到穩(wěn)態(tài)溫度分布方程：引入無因次溫度θ和無因次距離x1、y1、z1：故

故

代入穩(wěn)態(tài)方程，整理得代入穩(wěn)態(tài)方程，整理得邊界條件：

在邊界面上：

在最高溫度處：從上式可以看出，前面微分方程的解完全受x0/y0、x0/z0和δ控制，即物體內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)溫度分布取決于物體的形狀和δ的大小。當(dāng)物體的形狀確定后，其穩(wěn)態(tài)溫度分布則取決于δ的值。由式可知，δ表征物體內(nèi)部化學(xué)放熱和通過邊界向外散熱的相對(duì)大小。因此，當(dāng)δ大于某一臨界值δcr時(shí)，方程無解，即物體內(nèi)部不能得到穩(wěn)態(tài)溫度分布。當(dāng)δ＝δcr時(shí)，與體系有關(guān)的參數(shù)均為臨界參數(shù)，此時(shí)的環(huán)境溫度稱為臨界環(huán)境溫度Ta,cr，體系的尺寸x0稱為自燃的臨界尺寸x0c。

由式得如果物質(zhì)以無限大平板、無限長(zhǎng)圓柱體、球體和立方體等簡(jiǎn)單形狀堆積，則內(nèi)部導(dǎo)熱均可歸納為一維導(dǎo)熱形式，則相應(yīng)的導(dǎo)熱方程式為：厚度為2x0的無限大平板，β＝0；半徑為x0的無限長(zhǎng)圓柱，β＝1；半徑為x0的球體，β＝2；對(duì)連長(zhǎng)為2x0的立方體，β＝3.28。相應(yīng)的無量綱化方程，得簡(jiǎn)單外形的臨界自燃準(zhǔn)則參數(shù)δcr為：無限大平板堆積方式，δcr＝0.88；無限長(zhǎng)圓柱體，δcr＝2；球體，δcr＝3.32；立方體，δcr＝2.52。第二節(jié)弗—卡熱自燃理論理論應(yīng)用預(yù)測(cè)自燃發(fā)生的可能性。第三節(jié)連鎖自燃理論鏈?zhǔn)街鹎懊娑啻翁岬竭B鎖自然著火條件速度取決于活化中心增加的速度，其濃度增加依靠：分子熱運(yùn)動(dòng)和連鎖分支數(shù)。任何時(shí)刻活化中心都可能被消滅，銷毀速度與本身濃度成正比。假設(shè)n0為反應(yīng)開始時(shí)由于熱作用而形成活化中心的速率，f為鏈分支反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，g為鏈終斷反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，n為活化中心的濃度，則活化中心隨時(shí)間的變化速率為

令，則當(dāng)t＝0時(shí)，n＝0，則對(duì)上式積分：如果以a表示一個(gè)活化中心參加反應(yīng)后生成最終產(chǎn)物的分子數(shù)，那么生成最終產(chǎn)物的速率為：

當(dāng)，則此時(shí)反應(yīng)速率：當(dāng)

較大時(shí)，則，再略去1，則有取對(duì)數(shù)，并整理得：第四節(jié)強(qiáng)迫著火理論強(qiáng)迫著火也稱點(diǎn)燃，熾熱高溫物體接觸，使混合氣體的一小部分首先著火，形成局部火焰核心，然后這個(gè)火焰核心再把鄰近的混合氣點(diǎn)燃，并逐層依次引起火焰?zhèn)鞑?，從而使整個(gè)混合氣燃燒起來。與自發(fā)著火的區(qū)別強(qiáng)迫是首先局部，自發(fā)是整個(gè)空間；強(qiáng)迫溫度要高的多；強(qiáng)迫過程要復(fù)雜的多；強(qiáng)迫比自發(fā)影響因素復(fù)雜。共同點(diǎn)第四節(jié)強(qiáng)迫著火理論強(qiáng)迫點(diǎn)燃方法熾熱物體點(diǎn)燃電火花點(diǎn)燃火焰點(diǎn)燃強(qiáng)迫著火理論繪圖說明，解釋教材第四節(jié)強(qiáng)迫著火理論電火花點(diǎn)火機(jī)理熱